DE2825437B2

DE2825437B2 - Druckmeßvorrichtung

Info

Publication number: DE2825437B2
Application number: DE2825437A
Authority: DE
Inventors: Isamu Tokio Asano (Japan); Mitsuru Tama Tamai; Takeshi Tokio Yasuhara; Tadanori Tachikawa Yuhara
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1977-06-09
Filing date: 1978-06-09
Publication date: 1980-06-04
Also published as: JPS5618891B2; JPS542783A; US4158311A; DE2825437A1; DE2825437C3

Description

r< Die Erfindung betrifft eine Diuckmeßvorrichtung von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Eine derartige Druckmeßvorrichtung ist aus der DE-OS 2164896 bekannt. Das biegsame Meßele-

4(i ment ist bei dieser bekannten Lösung als Meßmembran ausgebildet, wobei in dem Gehäuse beidseitig gegenüber der Meßmembran zwei Induktionsspulen elektrisch isoliert in einem solchen Abstand angebracht sind, daß eine induktive Kopplung erzielt wird.

4) Bei der Auslenkung der Meßmembran aufgrund von

Änderungen des einwirkenden Drucks ändert sich die induktive Kopplung mit der Folge einer meßbaren Impedanzänderung der Induktionsspulen.

Zur Befestigung der Meßmembran im Gehäuse

in bzw. zwischen den beiden Gehäuseteilen ist in der DE-OS 1648593 vorgeschlagen, diese mit ihrem Rand mittels eines Federelements, z. B. einer Tellerfeder gegen das Gehäuse zu drücken. Dadurch soll ein Nachrutschen der Membran an der Einspannstelle

v, bei Auslenkung derselben verhindert werden. Das Federelement ist jedoch nicht geeignet und auch nicht dazu bestimmt, auf die Membran radial nach außen gerichtete Zugkräfte auszuüben. Dadurch kann bei der bekannten Lösung auch keine gleichmäßige Ein-

bo spannung der Membran längs ihres Umfanges in radialer Richtung erzielt werden. Ferner besteht bei der bekannten Lösung die Gefahr, daß bei höheren Drükken Meßfehler durch Verformung des Federelements auftreten.

β¹; Aus der Literaturstelle »Journal of Scientific Instruments 1962, Band 39, Seite 241« ist es bekannt, eine Membranfolie über einen Rohrstutzen od. dgl. mit einer Ringnut zu stülpen ur:d mittels eines in der

Ringnut angeordneten Gummibandes über den Stutzen gespannt zu halten, um dann an den Stutzen ein Rohr od. dgl. anzuschließen, derart, daß· die Membranfolie zwischen Stutzen und Rohr geklemmt ist.

Diese Konstruktion ist hinsichtlich ihrer Montage ί relativ aufwendig und außerdem nur für sehr dünne und flexible Membranen geeignet. Eine gleichmäßige Einspannung längs des Membranumfanges ist ebenfalls nicht gewährleistet.

Schließlich ist es noch bekannt, zur Halterung der ι ο Meßmembran am Gehäuse einen im wesentlichen steifen Metallring zu benutzen. Die Umfangsränder der Membran werden dabei durch Schweißen mit dem Metallring verbunden. Bei dieser Konstruktion kann sich jedoch die ursprünglich flache Membran werfen, ι "> oder die auf sie einwirkende Zugspannung kann sich infolge der beim Schweißen auftretenden Wärmeausdehnung ungleichmäßig verteilen. Diese Mangel müssen zur Gewährleistung einer einwandfreien und zuverlässigen Arbeitsweise der Membran ausgeschaltet werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Druck- oder Differenzdruckmeßvorrichtung, bei welcher die Meßmembran einer gleichmäßigen Einspannung unterworfen ist. Es soll eine :> wirtschaftlich und kompakt gebaute Vorrichtung geschaffen werden, die sich einfach handhaben laßt und deren Arbeitsweise über einen langen Zeitraum hinweg stabil bleibt.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 jo gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die Meßmembran besteht aus einem durch Ausscheidungs- bzw. Seigerungshärtung härtbaren Meta!l, das bei der Wärmebehandlung kontraktiert und einen hohen Elastizitätsgrad besitzt. Die Meßmem- r> bran wird dabei an den Gehäuseteilen befestigt und dann einer Alterungsbehandlung unterworfen, wobei die gesamte Membran nach dieser Behandlung einer gleichmäßigen Zugspannung ausgesetzt ist. Wahlweise kann zur Vermeidung der Notwendigkeit für -411 die Gehäuseteile und die Befestigungsschrauben ein Spannring aus einem durch Seigerungshärtung härtbaren Material am Außenumfang der Meßvorrichtung befestigt und dann einer Alterungs- bzw. Wärmebehandlung unterworfen werden, unter welcher dieser 4> Ring kontraktiert.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung nähert erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht einer bisherigen Differenzdruckmeßvorrichtung,

Fig. 2 eine Schnittansicht eines wesentlichen Teils einer Meßvorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung,

Fig 3A eine graphische Darstellung der zeitab- ■-,-> hängigen Wärmeausdehnung des seigerungshärtbaren Metalls,

Fig. 3B eine graphische Darstellung der zeitabhängigen Temperaturänderung des Metalls,

Fig. 4 eine Schnittansicht einer abgewandelten _b(l Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie V-V in Fig. 3.

Die in Fig. 1 dargestellte, bisherige Differenzdruckmeßvorrichtung umfaßt einen in einem im wesentlichen zylindrischen Rahmen vorgesehenen Dif- ^ ferenzdruck-Meßteil 1 sowie einen ersten Gehäuseteil 2 und einen zweiten Gehäuseteil 3, die mit Isolierkörpern 4 bzw. 5 aus Glas oder Keramik °efü!!t sind. Die axialen Innenflächen der Isolierkörper sind dabei sphärisch konkav ausgebildet und mit einer daran angebrachten, als Kondensatorplatte wirkenden Metallfolie 6 bzw. 7 versehen. Die beiden Gehäuseteile 2 und 3 sind dabei symmetrisch ausgebildet, so daß die Metallfolien einander zugewandt sind.

Die Verbindungsabschnitte dieser Gehäuseteile 2 und 3 sind mit Ringrippen 9 und 91 sowie Ringnuten 10 und 101 von keilförmigem Querschnitt versehen. An der Innenseite, dieser Verbindungsabschnitte der Gehäuseteile sind konische Ausnehmungen 110 und 111 mit einer Höhe d ausgebildet. Eine zwischen die Gehäuseteile 2 und 3 eingesetzte Meßmembran 8 ist durch Schweißen an den Rippenteilen 9 bzw. 91 befestigt. Dabei wird eine erste Meßkammer 11 durch den Zwischenraum zwischen der Kalotten- bzw. Wölbungsfläche des ersten Isolierkörpers 4 und der Meßmembran 8 gebildet, während eine zweite Meßmembran 12 durch den Zwischenraum zwischen der Kalotten- bzw. Wölbungsfläche des zweiten Isolierkörpers 5 und der Meßmembran 8 gebildet wird. Der Differenzdruck-Meßteil 1 wird von zwei Gehäuseteilen 13 und 14 getragen, die mit Hilfe von Verbindungsschrauben 15 fest miteinander verbunden sind. Zwischen dem ersten Gehäuseteil und dem ersten Isolierkörper sowie zwischen dem zweiten Gehäuseteil und dem zweiten Isolierkörper werden dabei zwei Druckkammern 18 bzw. 19 festgelegt. Ein Eingangsdruck wird an die erste Meßkammer 11 über eine Bohrung 16 im ersten Gehäuseteil, die erste Druckkammer 18 sowie eine im ersten Isolierkörper 4 vorgesehene Bohrung 20 angelegt, während ein zweiter Eingangsdruck bzw. ein Bezugsdruck an die zweite Meßkammer 12 über eine Bohrung 17 im zweiten Gehäuseteil 14, die zweite Druckkammer 19 und eine Bohrung 21 im zweiten Isolierkörper 5 angelegt wird.

Wenn beim Verspannen der beiden Gehäuseteil 13 und 14 mittels der Schraubbolzen 15 eine Druckkraft P auf die beiden Gehäuseteile 2 und 3 ausgeübt wird, werden die Umfangsränder 9 und 91 der Gehäuseteile wegen der sich verjüngenden Querschnittsform dieser Ränder unter der Druckkraft P radial nach außen gedrängt, so daß sich die Höhe d verkleinert, der Durchmesser des Rippenteils aber vergiößert. Infolgedessen wird auf die Meßmembran eine radial nach außen wirkende Zugspannung ausgeübt, durch welche die ungleichmäßige oder lokale Zugbelastung der Membran aufgehoben wird.

Bei dieser Konstruktion sind die Tragplatten oder Gehäuseteile 13 und 14 sowie eine Anzahl von um deren Umfang herum angeordneten Schraubbolzen 15 erforderlich, so daß sich keine kompaxte Vorrichtung erreichen läßt. Außerdem beträgt der thermische bzw. Wärmedehnungskoeffizient der Gehäuseteile 2 und 3 aus rostfreiem Stahl 17 X 10"⁶ bis 18 X 10Λ während der thermische Ausdehnungskoeffizient der Tragplatten 13 und 14 sowie der Schraubbolzen 15 aus Stahl 10 X 10"⁶ bis Hx 10"⁶ beträgt, so daß sich die Verspannkraft bei Temperaturänderungen infolge des vergleichsweise großen Unterschieds in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten verändern und eine Verschlechterung der Meßeigenschaften der Membran herbeiführen kann.

Es ist auch eine andere Möglichkeit zum Zusammensetzen der Druckmeßvorrichtung bekannt, bei welcher die Meßmembran unter Einhaltung einer vorbestimmten Zugspannung mit den Außenumfnnosflärhgn Hpr Gehäuseteil? 2 und 3 verschweißt

wird. Dieses Vorgehen ist jedoch insofern nachteilig, als sich die Membran beim Schweißen verformen kann, so daß es ziemlich schwierig wird, eine Meßmembran zu erhalten, die von einer stabilen und gleichmäßigen Zugspannung beaufschlagt wird.

Im folgenden ist die Erfindung zunächst anhand von Fig. 2 beschrieben, wobei die der bisherigen Vorrichtung nach Fig. 1 entsprechenden Teile mit denselben Bezugsziffern wie dort bezeichnet sind.

Ein Differential- bzw. Differenzdruck-Meßteil 22 ι ο umfaßt zwei im wesentlichen zylindrische Gehäuseteile 24 und 25, die jeweils einen Hohlraum aufweisen, welche mit Isoliermaterialien bzw. -körpern 4 bzw. 5 gefüllt sind, deren Innenflächen sphärisch konkav ausgebildet und mit als Kondensatorplatten wirken- ι > den Metallfolien 6 bzw. 7 belegt sind. Zwischen die Gehäuseteile 24 und 25 ist eine Meßmembran 23 eingespannt, wobei der Umfangsrand der Membran 23 an den Umfangsrändern der Gehäuseteile 24 und 25 angeschweißt ist.

Zweckmäßig wird als Werkstoff für die Meßmembran 23 ein durch Ausscheidungs- bzw. Seigerungshärtung härtbares Metall mit hoher Elastizität verwendet, nämlich beispielsweise

a) ein Produkt aus 36 Gew.-% Ni, 12 Gew.-% Cr, >5 1-2 Gew.-% Mn, 1-3 Gew.-% W, 1-2 Gew.-% Si, 0,8 Gew.-% C und Fe = Rest;

b) ein Produkt aus 40 Gew.-% Co, 26 Gew.-% Ni, 12Gew.-% Cr, 4Gew.-% Mo, 4Gew.-% W, 1 Gew.-% Ti, 1,4 Gew.-% Mn, 0,2 Gew.-% Be und Fe = ReSt;

c) ein Produkt aus 40 Gew.-% Co, 15 Gew.-% Ni, 20 Gew.-% Cr, 7 Gew.-% Mo, 2 Gew.-% Mn, 0,04 Gew.-% Be, 0,15 Gew.-% C und Fe = Rest; -

-- d) ein Produkt aus 42 Gew.-% Ni, 5,3 Gew.- % Cr, 0,S Gew,-% Mn, 0,3 Gew.-% Si, 2,4 Gew.-%

VTi; 0,4Gew.-% Al, 0,05 Gew.-% Cu, 0,02 Gew.-% C und Fe = ReSt;
e) ein Produkt aus 40 Gew.-% Co, 15Gew.-%Ni, w 20Gew.-%Cr,7 Gew.-% Mo, 1,5 Gew.-% Mn, 0,45 Gew.-% Si, 0,05 Gew.-% Be, 0,15 Gew.-% Cu und Fe = Rest.

Bei seigerungshärtbaren Metallen mit hoher Elastizität, wie sie vorstehend angegeben sind, seigern zwischenmetallische Verbindungen in Kristallform unter Verkleinerung des Gesamtvolumens aus, wenn das Metall einer Alterungsbehandlung bei hohen Temperaturen im Bereich von etwa 500-600° C während einer Zeitspanne von einer Stunde unterworfen wird.

Das auf beschriebene Weise alterungsbehandelte, seigerungshärtbare Metall wird für die Meßmembran 23 benutzt. Gemäß Fig. 3B wird dieses Metall, ausgehend von Raumtemperatur (20° C) auf eine Temperatur von 600° C erwärmt. Diese hohe Temperatur wird während einer Zeitspanne von etwa einer Stunde (r₀) aufrechterhalten und dann auf Raumtemperatur verringert. Dabei erfährt ein Metallstück mit einer ursprünglichen Länge Z₁ eine thermische Ausdehnung bo während der betreffenden Zeitspanne i„. Beim Abkühlen des Metallstücks auf Raumtemperatur verringert sich seine Länge sodann auf eine Länge I₂, wie durch das Längendifferential Δ1 angedeutet, ist die Länge I₂ kleiner als die Länge I_x. Die versuchsweise b5 ermittelte Größe Δ1 beträgt etwa 0,1-0,2% der Länge /,.

Erfindungsgemäß wird also diese Kontraktion ausgenutzt, um die Membran im Druckmeßteil 22 unter Zugspannung zu setzen. Genauer gesagt: das seigerungshärtbare Metall wird zunächst an den beiden Gehäuseteilen 24 und 25 angebracht und dann einer Alterungsbehandlung unterworfen, wobei das Metall (der Membran) auf vorstehend beschriebene Weise aufgrund seiner Kontraktion einer Zugspannung unterworfen wird, weil der Umfangsrand des Werkstücks an den Gehäuseteilen 24 und 25 befestigt ist. Auf diese Weise werden ungünstige vom Schweißen herrührende lokale Spannungen aufgehoben oder beseitigt. Selbstverständlich können dieselbe Wirkung und dieselbe Funktion dann erreicht werden, wenn die Membran zunächst durch Hartlöten oder Verkleben an den Gehäuseteilen befestigt wird.

In Fig. 4 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt, deren der Ausführungsform gemaß Fig. 2 entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern wie dort bezeichnet sind. Die Differenzdruckvorrichtung 22 umfaßt zwei Gehäuseteile 24 und 25, die Isolierkörper 4 bzw. 5 aufnehmen. Der Umfangsrand einer Meßmembran 23 ist an den Gehäuseteilen 24 und 25 angeschweißt. Die Meßmembran kann dabei aus einem seigerungshärtbaren Material oder einem anderen Werkstoff bestehen. Die inneren Ringflächen der beiden Gehäuseteile schließen zwischen sich den Umfangsrand der Meßmembrand 23 ein. Die Außenumgangsflächen der Gehäuseteile sind fest mit einem aus einem der genannten, seigerungshärtbaren Metalle bestehenden Befestigungs- bzw. Spannring 150 verspannt. Nach dem Anbringen an den Außenumfangsflächen der Gehäuseteile wird der Spannring 150 einer Wärme- oder Alterungsbehandlung unterworfen.

Gemäß den Fig. 4 und 5 wird der Spannring 150 aus einem seigerungshärtbaren Metall an den Außenumfangsflächen der Gehäuseteile 24 und 25 angeschweißt, worauf die zusammengesetzte Vorrichtung einer Wärmebehandlung unterworfen wird (vgl. Fi g. 3 A und 3 B). Der Spannring besitzt vorzugsweise die Form eines Rohrabschnitts oder eine C-förmige Gestalt mit einem Spalt 150/4. Wahlweise können jedoch mehrere Teilringe in Axialrichtung des Gehäuses um dieses herum angeordnet werden. Wenn beispielsweise mehrere Spalte 150 A vorgesehen werden, wird eine Teilung des Spannringes 150 in eine Anzahl von Ringsegmenten erreicht, die sich zum Verspannen beider Gehäuseteile in Axialrichtung erstrecken.

Zusammenfassend wird mit der Erfindung also eine kompakt gebaute Druckmeßvorrichtung geschaffen, bei welcher die auf das Meßelement einwirkende Zugspannung praktisch gleichmäßig und von thermisehen Änderungen frei ist. Entweder das Meßelement selbst oder ein die Vorrichtung umschließendes Spannelement oder beide Elemente können aus einem seigerungshärtbaren Metall bestehen, das bei einer Wärmebehandlung eine Kontraktion erfährt. Bei der thermischen Kontraktion des Meßelements wird dieses unter eine gleichmäßig radiale Zugspannung gesetzt. Wenn das Spannelement eine Kontraktion erfährt, wird auf die Vorrichtung eine gleichmäßige Spannkraft ausgeübt, durch welche die Membran ohne die Notwendigkeit für Spannschrauben verspannt werden kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Druckmeß vorrichtung, bei welcher ein biegsames Meßelement zwischen zwei Gehäuseteilen angeordnet ist und die Größe des Ausschlags dieses Meßelements die Größe eines auf dieses einwirkenden Drucks angibt, und bei welcher weiterhin ein den Umfang der Gehäuseteile umschließendes Spannelement vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens das Meßelement (23) und/oder das Spannelement (150) aus einem durch eine Wärmebehandlung kontraktierbaren, ausscheidungs- bzw. seigerungshärtbaren Metal! hergestellt ist und daß das betreffende Element infolge seiner anfänglichen Befestigung an den Gehäuseteilen (24,25) und er anschließenden Wärmebehandlung unter eine mechanische Spannung gesetzt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannelement aus dem seigerungshärtbaren Material besteht und daß die mechanische Spannung eine gleichmäßige radiale Zugspannung ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannelement aus dem seigerungshärtbaren Material besteht und daß die mechanische Spannung eine die Gehäuseteile beaufschlagende Druckspannung ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannelement im wesentlichen zylindrisch ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannelement einen axialen Spalt aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannelement eine Anzahl von um den Umfang der Gehauseteile herum auf Abstände verteilten Platten aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das seigerungshärtbare Metall aus 36 Gew.-% Ni, 12 Gew.-% Cr, 1-2 Gew.-% Mn, 1-3 Gew.-% W, 1-2 Gew.-% Si, 0,8 Gew.-% C und im Rest aus Fe besteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das seigerungshärtbare Metall aus 35 Gew.-% Ni, 12 Gew.-% Cr, 1-2 Gew.-% Mn, 1-3 Gew.-% W, 1-2 Gew.-% Si, 0,8 Gew.-% C und im Rest aus Fe besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das seigerungshärtbare Metall bzw. Material aus 40 Gew.-% Co, 26 Gew.-% Ni, 12Gew.-% Cr, 4 Gew.-% Mo, 4Gew.-% W, 1 Gew.-% Ti, 1,4 Gew.-% Mn, 0,2 Gew.-% Be und im Rest aus Fe besteht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das seigerungshärtbare Metall bzw. Material aus 40 Gew.-% Co, 26 Gew.-% Ni, 12Gew.-% Cr, 4Gew.-% Mo, 4Gew.-% W, 1 Gew.-% Ti, 1,4 Gew.-% Mn, 0,2 Gew.-% Be und im Rest aus Fe besteht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das seigerungshärtbare Metall bzw. Material aus 40 Gew.-% Co, 15 Gew.-% Ni, 20Gew.-% Cr, 7 Gew.-% Mo, 2 Gew.-% Mn, 0,04 Gew.-% Be, 0,15 Gew.-%CundimRestaus Fe besteht.

kennzeichnet, daß das seigerungshärtbare Metall bzw. Material aus 40 Gew.-% Co, 15 Gew.-% Ni, 20Gew.-% Cr, 7 Gew.-% Mo, 2 Gew.-% Mn, 0.04 Gew.-% Be, 0,15 Gew.-% C und im Rest aus Fe besteht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das seigerungshärtbare Metall bzw. Material aus 42 Gew.-% Ni, 5,3 Gew.-% Cr, 0,5 Gew.-% Mn, 0,3 Gew.-% Si, 2,4 Gew.-% Ti. 0,4 Ge\v.-% Al, 0,05 Gew.-% Cu, 0,02 Gew.-% C und im Rest aus Fe besteht.

14. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das seigerungshärtbare Metall bzw. Material aus 42 Gew.-% Ni, 5,3 Gew.-% Cr, 0,5 Gew.-% Mn, 0,3 Gew.-% Si, 2,4 Gew.-% Ti, 0,4 Gew.-% Al, 0,05 Gew.-% Cu, 0,02 Gew.-% C und im Rest aus Fe besteht.

15. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das seigerungshärtbare Metall bzw. Material aus 40 Gew.-% Co, 15 Gew.-% Ni, 20 Gew.-% Cr, 7 Gew.-% Mo, 1,5 Gew.-% Mn, 0,45 Gew.-% Si, 0,05 Gew.-% Be, 0,15 Gew.-% Cu und im Rest aus Fe besteht.

16. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das seigerungshärtbare Metall bzw. Material aus 40 Gew.-% Co, 15 Gew.-% Ni, 20 Gew.-% Cr, 7 Gew.-% Mo, 1,5 Gew.-% Mn, 0,45 Gew.-% Si, 0,05 Gew.-% Be, 0,15 Gew.-% Cu und im Rest aus Fe besteht.